优化SCR闩锁工程：精简方案实现高效运作

为了使基于SCR的器件提供有效ESD保护，需要有足够低的开关电压，但是还应该避免瞬态感应闩锁问题^[87]。在CMOS IC处于电路正常工作条件下，有两种方法可以避免基于SCR的开启电压较低的器件被噪声电压误开启。图5-32a所示为通过增加基于SCR的低压触发器件的触发电流来避免闩锁，但是其开关电流和保持电流不变。由于具有较高的触发电流，基于SCR的低触发电压器件，如LVTSCR，对压焊点上的过冲或下冲噪声脉冲就具有足够的噪声裕量。采用0.6μm工艺给LVTSCR结构增加了一个旁路二极管，已成功开发出高电流NMOS触发横向SCR（HINTSCR，High-current NMOS-triggered lateral SCR）^[99]器件，将触发电流增加到218.5mA。这种HINTSCR在3V应用时有大于VDD+12V的噪声裕量。另外，还报导有将GGSCR改进为具有高保持电流的SCR（HHI-SCR）器件^[89]，在0.1μm CMOS工艺中，通过将GGSCR中几千欧姆的外部多晶电阻调整到HHI-SCR中的约仅为10Ω，使其保持电流达到约70mA。

图5-32 采用基于SCR器件的ESD保护设计中的两种克服闩锁问题的方案 a）增加触发电流 b）增加保持电压以避免基于SCR的器件被噪声脉冲误触发

避免闩锁的另一种方法是增加基于SCR器件的保持电压，使其高于最大VDD电源电压，如图5-32b所示。通过使用外延衬底，SCR器件的保持电压可以增加到避免闩锁问题^[116]。但是CMOS晶圆的制造费用将增加。通过将某些元件（如二极管或者SCR器件）串联，其总的串联电压降可以使得体CMOS工艺中基于SCR器件的总保持电压得到提升。通过设计适当的辅助触发，开关电压和电流可以被保持在较低电压水平。在0.35μm金属硅化物CMOS技术下，设计了一种级联LVTSCR^[117]结构，增加了保持电压（>VDD），而不会导致其ESD鲁棒性的衰退。另外，据报道，在0.25μm工艺技术下采用层叠STSCR器件设计或采用层叠STSCR器件与层叠二极管链设计的ESD保护电路具有7kV的HBM ESD级别，并且不存在闩锁问题。最近，对单个SCR器件，针对ESD保护（低保持电压）条件和电路正常工作（较高的保持电压）条件动态调整保持电压[102]。据报道，采用动态保持电压SCR（Dynamic holding voltage SCR，DH-VSCR）作ESD保护器件时，具有较高的闩锁免疫力。DHVSCR器件的结构如图5-33a所示。在DHVSCR器件结构中而不是LSCR结构中插入了一个PMOS和一个NMOS。0.25μm CMOS工艺中DHVSCR在电路正常工作条件下和ESD放电条件下的I-V特性如图5-33b所示。PMOS和NMOS的栅电压（V_g1和V_g2）在电路正常工作条件下，被偏置到2.5V（VDD），但是在ESD作用时则偏置到0V。电路正常工作条件下DHVSCR的保持电压和保持电流分别为2.8V和172mA。因此，电路正常工作条件下的DHVSCR将不会处于闩锁状态。然而，ESD作用时DHVSCR的保持电压和保持电流分别降为202V和91mA，因此DHVSCR也能将ESD过应力钳位到较低的电压水平，维持较高的ESD级别。通过控制与SCR结构结合在一起的PMOS和NMOS的栅压可以调整DHVSCR的保持电压和保持电流。

然而，随着CMOS按比例缩小技术的发展，按照“电场不变”的要求缩放器件尺寸，CMOS IC的电源电压也随之缩减，同时也减小了功耗。对采用0.13μm金属硅化物工艺实现的CMOS IC，内部电路的最大电源电压已减小到了1.2V，因此基于SCR的器件本身所固有的闩锁问题就不存在了。与其他ESD保护器件相比，采用基于SCR的开关电压较低的器件具有最高的ESD鲁棒性、最小的版图面积以及不存在闩锁问题，所以是片上ESD保护的最佳选择。然而，在这种超薄栅氧的0.13μm的CMOS工艺中，为了保护这种更薄的栅氧，应该提高SCR器件的开启速度以快速泄放ESD过应力电压。对于纳米CMOS工艺中超薄栅氧，采用NAN-SCR^[95]和哑元栅结构改善基于SCR的器件的开启速度[92]是较好选择。(www.xing528.com)

图5-33 a）CMOS工艺实现的动态保持电压SCR（DHVSCR）的器件结构 b）采用0.25μmCMOS工艺的DHVSCR在电路正常工作条件下和ESD作用条件下的I-V特性

必须更好地设计基于SCR器件的开启电压和开启速度，以充分有效地保护输入级中的超薄栅氧，特别是抗拒快速CDM ESD作用。在最大电源电压低于1.2V的纳米CMOS工艺中，基于SCR的器件的开关电压和开启速度将是采用基于SCR器件的片上ESD保护电路整体性能的决定性因素。对纳米CMOS工艺，为了保护I/O电路的超薄栅氧，要求基于SCR的器件必须有足够低的开关电压和足够快的开启速度。